基于Atmega16單片機(jī)便攜式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)

阮 磊

（安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

0 引言

隨著物質(zhì)生活和精神水平的不斷提高以及老齡化比例的不斷上升，醫(yī)療檢測設(shè)備也逐漸家庭化，日常家用電子血壓計(jì)就是典型的家庭醫(yī)療檢測設(shè)備之一。相比于傳統(tǒng)的水銀式血壓計(jì)，便攜式電子式血壓計(jì)具有使用簡易，可獨(dú)自操作，測量值便于記錄，體積輕巧便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)測量原理

測量采用的是示波法，采用手動充氣袖帶來阻斷上臂動脈血流，也就是說，當(dāng)充氣袖帶上的氣體壓力遠(yuǎn)高于心臟收縮壓時，脈搏波就會消失。隨著充氣袖帶所受壓力的下降，脈搏波將會漸漸出現(xiàn)。當(dāng)充氣袖帶所受壓力從高于心臟收縮壓緩慢降到心臟收縮壓以下時，脈搏波會急劇增大，到達(dá)氣壓平均壓時達(dá)到最大值，然后又隨充氣袖帶所受氣體壓力下降而逐漸降低。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本血壓測量系統(tǒng)主要由大氣壓力傳感器MPX2050電路、信號調(diào)理電路、濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電壓基準(zhǔn)電路、單片機(jī)控制電路和LCD液晶顯示電路所構(gòu)成。其原理是采用氣壓傳感器將綁在人體上臂上的袖帶內(nèi)的氣壓轉(zhuǎn)換成電子信號，再用信號調(diào)理電路將獲得的電子信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的電壓信號，然后通過單片機(jī)本身自帶的AD轉(zhuǎn)換電路對獲得的電壓信號進(jìn)行采樣、量化，再根據(jù)一定的算法將用戶的血壓值和心率計(jì)算出來，最后由單片機(jī)將計(jì)算結(jié)果傳送到LCD液晶顯示屏上顯示出來給用戶查看。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1 AVR單片機(jī)

本設(shè)計(jì)采用ATmega16A單片機(jī)作為控制核心。AT－mega16A機(jī)速度最大可達(dá)到16M，能夠滿足系統(tǒng)要求，ATmega16A單片機(jī)的工作電壓為3．3V到5V，與信號調(diào)理模塊電路的工作電壓兼容，機(jī)本身集成了SPI模塊和10位精度的AD轉(zhuǎn)換電路模塊，可以直接對經(jīng)過處理的信號進(jìn)行采樣測量。［1］

圖1 系統(tǒng)框圖

3．2 壓力傳感器

由壓力傳感器提取出的血壓波信號由單片機(jī)來處理，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出平均壓。選擇這款傳感器有以下兩個原因：一是在測量范圍內(nèi)有所浮動而不超出范圍；二是該傳感器線性度較好，并可進(jìn)行片上補(bǔ)償。［2］7－11

3．3 放大模塊

在設(shè)計(jì)中，通常采用測量模擬量的傳感器獲取信號，把由傳感器被測量的物理量通過相應(yīng)的信號傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，然后對所采集到的電壓信號進(jìn)行放大。

由于放大器對所測量信號的放大能力將隨所測信號大小而改變。為了保證放大器對不同幅值的電壓信號具有穩(wěn)定且不失真地放大，就必須保證放大器的輸入電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸出電阻，輸入電阻越大，因信號源內(nèi)阻變化而引起的放大信號的誤差就越小。

由此可見，儀表放大器除具很高的放大精度和放大倍數(shù)外，還應(yīng)具有高共模抑制比。因此三運(yùn)放構(gòu)成儀表放大器AD620足夠使用。AD620的基本特點(diǎn)為精確度高、適用簡易、低噪音、低耗電等，在設(shè)計(jì)中還可以降低成本。

3．4 濾波模塊

在測量血壓的過程中，由于傳感器MPX2050輸出的信號非常微弱，而且混有高頻噪聲信號，如果電路設(shè)計(jì)不合理，微弱的信號就會被噪聲淹沒因此在每一級放大電路中，都應(yīng)有相應(yīng)的噪聲濾除或抑制電路，此外要盡量消除分布電容與分布電感的禍合，在必要處進(jìn)行屏蔽。因此，本設(shè)計(jì)采用有源帶通濾波器，有效地削弱高頻噪聲，并適當(dāng)放大信號。

帶通濾波器部分被設(shè)計(jì)成兩個連起來的有源帶通濾波器。整個帶通部分能提供一個很大的增益，并且濾波器的頻率響應(yīng)將會比使用一個時更尖銳。這種方法可以提高輸出的信噪比。

這樣帶通濾波器部分的整個增益為399．6。把這部分增益和直流放大器的增益加起來，整個電路交流增益為8．51×104。選擇高、低截止頻率足以提供干凈的交流波形。

3．5 顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用TC1602字符型液晶顯示模塊作為LCD顯示。LCD1602液晶模塊內(nèi)部集成的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，足夠顯示血壓計(jì)所測量的各種信息內(nèi)容，占用I／O口也相對較少，符合本次設(shè)計(jì)的基本要求，而且價格便宜。

3．6 AD電源基準(zhǔn)電路

ATmega16A單片機(jī)自帶了8通道10位精度的AD轉(zhuǎn)換電路，同時有三個AD基準(zhǔn)電壓源可供選擇。由于本設(shè)計(jì)的電子血壓計(jì)屬于醫(yī)療電子器械，對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度要求非常高，所以為了更準(zhǔn)確的測量結(jié)果，選擇使用外部基準(zhǔn)電壓源作為 AD的基準(zhǔn)電壓源［3］124－128。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的半自動電子血壓計(jì)的主程序設(shè)計(jì)包括起始模塊和測量模塊。該血壓計(jì)在整個測量過程中會一直自動按一個恒定的速率進(jìn)行慢速排氣。當(dāng)用戶覺得不適時也可通過手動的方式進(jìn)行快速排氣［4］。這樣就簡化了程序測量的處理過程。當(dāng)設(shè)備接通電源以后，半自動電子血壓計(jì)就開始測量綁在用戶上臂上的袖帶內(nèi)的氣壓，當(dāng)袖帶內(nèi)的氣壓上高于某個值時，程序就自動進(jìn)入測量血壓的子程序，測量完后對得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

測量子程序由收縮壓測量子程序，心率測量子程序和舒張壓測量子程序組成。當(dāng)主程序進(jìn)入測量子程序后，單片機(jī)開始對經(jīng)過濾波后得到的交流信號進(jìn)行采樣，［5］當(dāng)檢測到有穩(wěn)定的脈搏波后，單片機(jī)啟動另一通道的AD轉(zhuǎn)換程序并記下此時袖帶內(nèi)的氣壓值，經(jīng)過計(jì)算得到用戶的收縮壓。收縮壓測量結(jié)束后，程序自動進(jìn)入心率測量子程序。計(jì)算兩個脈搏波峰值之間的時間同理并記錄下來。為了獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，取5個脈搏波峰值的時間間隔然后求出兩個脈搏波峰之間的平均值，最后計(jì)算出人的心率。［6］62－65心率測量完成后，程序也是自動進(jìn)入舒張壓測量子程序。當(dāng)采樣的交流信號連續(xù)兩秒鐘低于舒張壓的閥值時，就判斷這一時刻袖帶內(nèi)的氣壓為被測者的舒張壓，此時單片機(jī)測量袖帶內(nèi)氣壓值并記錄下來，經(jīng)過一定的運(yùn)算獲得人體的舒張壓。

5 測量結(jié)果分析

通過測量，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與水銀測量結(jié)果仍有較大偏差。造成偏差的原因有很多。首先是信號采集過程中產(chǎn)生一定的誤差，二是傳感器的輸出信號在處理過程中也會出現(xiàn)誤差。除了硬件方面造成誤差外，軟件方面，在測量過程中，未對由于人在測量過程中有動作而產(chǎn)生錯誤的信號進(jìn)行有效處理。也就是說測量血壓的軟件算法尚有不足之處。因?yàn)榻?jīng)過硬件濾波后所得的交流信號波形非常完善，人體心率的測量基本準(zhǔn)確。但該血壓計(jì)也具有一些優(yōu)點(diǎn)，如測量時間短，有效地降低了功耗和體積，質(zhì)量輕，便于攜帶。另外，在測量的過程中，被測者應(yīng)做到保持不動，否則可能因?yàn)楸粶y者的動作形成一個假脈沖信號，同時可能改變CP信號。

6 結(jié)束語

本文基于ATmega16A單片機(jī)的便攜式電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)，用來監(jiān)測人體血壓信號，主要監(jiān)測參數(shù)是人體脈搏波和血壓計(jì)袖帶的靜壓力。在設(shè)計(jì)過程中，不僅采用了醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展的最新成果，而且也使用國際比較優(yōu)秀的大規(guī)模集成電路，如基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器Atmage16，以及專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣型液晶顯示模塊TC1602等，使得系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡潔，性能可靠，從而提高了整機(jī)性價比和測量血壓時的測量精度，具有較高的實(shí)用價值。

［1］李廣第，朱月秀，王秀山．單片機(jī)基礎(chǔ)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009．

［2］包旭鶴．便攜式電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（8）．

［3］王濤．便攜式電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)［J］．中國醫(yī)療器械雜志，2003，9（11）．

［4］李相偉．微機(jī)系統(tǒng)原理及接口技術(shù)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2010．

［5］王迎旭．單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［6］劉堅(jiān)強(qiáng)，王永才．基于示波器的電子血壓計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（4）．